Compton scattering tomográfia mezőgazdasági mérésekhez

tudományos közlemények
mezőgazdasági gépek kezelése

Compton scattering tomográfia mezőgazdasági mérésekhez

Tom Xhamstergrafo de espalhamento Compton para medidas agrociklas

Paulo E. CruvinelI; Fatai A. BalogunII

iDoctor az automatizálásban, az Embrapa mezőgazdasági műszerek kutatója, e-mail: [email protected]
Iifizika professzor, az Obafemi Awolowo Egyetem, Ile-Ife, Nigéria fizikai Tanszékének kutatója

absztrakt

ez a cikk egy új megközelítést mutat be a mezőgazdaság tomográfiai műszereiben, amely a Compton szóráson alapul, amely lehetővé teszi a talajminták sűrűségének és nedvességtartalmának egyidejű mérését. A Compton tomográfia olyan technika, amely felhasználható a minták elektronikus sűrűségének térbeli térképének megszerzésére. A kvantitatív eredmények olyan rekonstrukciós algoritmussal érhetők el, amely figyelembe veszi a beeső és szétszórt sugárzás abszorpcióját. Az eredmények azt mutatják, hogy a lineáris korrelációs együttható jobb, mint 0,81, ha összehasonlítjuk az ezen módszeren alapuló talajsűrűség-méréseket a közvetlen transzmissziós tomográfiával. A talaj víztartalmára vonatkozóan 0,79-nél jobb lineáris korrelációs együtthatót találtunk, összehasonlítva az idő domén reflektrometriával (TDR) kapott mérésekkel. Ezenkívül egy sor Compton scatter képet mutatnak be ennek a képalkotó technikának a hatékonyságának szemléltetésére, amely lehetővé teszi az előre meghatározott síkok térbeli változékonyságának jobb elemzését.

kulcsszavak: Compton tomográfia, talajsűrűség és nedvességtartalom, mezőgazdasági automatizálás.

absztrakt

ez a munka egy új, Compton szóráson alapuló mezőgazdasági tomográfiai műszert mutat be, amely lehetővé teszi a talajminták sűrűségének és nedvességtartalmának egyidejű mérését. A Compton tomográfia olyan technika, amely lehetővé teszi a minta elektronikus sűrűségének térbeli feltérképezését. Az eredmények 0,81-nél jobb lineáris korrelációs együtthatót mutatnak az e módszer és a transzmissziós tomográfia között végzett összehasonlító mérések esetében. A talajnedvesség méréséhez 0,79-nél jobb lineáris korrelációs együtthatót találtunk Az idősáv reflektrometriai (RTD) technikájával összehasonlítva. Ezenkívül a Compton-szórás tomográfiailag kapott képeinek sorozatát mutatják be a kifejlesztett technika hatékonyságának szemléltetésére, amely lehetővé teszi az előre kiválasztott síkok térbeli változékonyságának elemzését.

kulcsszavak: Compton tomográfia, talajsűrűség és nedvességtartalom, mezőgazdasági automatizálás.

bevezetés

a komplex termékek által kifogásolt roncsolásmentes tesztelő szakemberek kifinomult módszereket és rendszereket választhatnak, például számítógépes tomográfiát, emissziós tomográfiát vagy más alkalmazásokhoz kifejlesztett számos mágneses rezonancia képalkotó rendszer egyikét. A Cormack és Hounsfield által kifejlesztett számítógépes tomográfia (CT) lehetővé teszi a tárgyak axiális keresztmetszetű képalkotását (Cormack, 1973; HOUNSFIELD, 1973). Ezeket a képeket ezután kétdimenziós (2D) mátrixok halmazaként lehet tárolni. Annak ellenére, hogy ezek a technikák bizonyítottan sikeresek voltak a különböző területeken, a szétszórt fotonok alkalmazásának tanulmányozása az elmúlt évtizedben továbbra is lendületet kapott. Mind a koherensen, mind az összefüggéstelenül szétszórt fotonokat, valamint a Compton szórási csúcsok energiaprofilját alkalmazó technikát különféle módon és kombinációban alkalmazták a testszövetek, például a csontok, a lágy szövetek, a tüdő és a zsírok jellemzésére. A Compton szórásmérései olyan alkalmazásokat találtak, mint a minőségellenőrzés a szerszámgépek és az autóalkatrészek gyártásában, valamint az olvadt fémek magas hőmérsékletű környezetének megfigyelésére. Mindezekben az esetekben a szükséges műszerek tömörsége lehetővé teszi mind a forrás, mind a detektor elhelyezését az objektum ugyanazon oldalán, amelynek sűrűségét meg kell mérni. A hátsó szórási szögek használata bizonyítottan javítja a mérés érzékenységét és reprodukálhatóságát (GIGANTE & HANSON, 1989).

az egypontos denzitometrián kívül az érdekes sík sűrűség leképezését (képalkotást) különféle tárgyakon végezték. A gyakran említett előnyök közé tartozik, különböző okokból, részleges test képalkotás, hozzáférhetőség, valamint a számítási kép rekonstrukciójának csökkentett igénye. Ennek a technikának az alkalmazhatósága azonban számos tényező miatt korlátozott volt. Ezek közé tartozik a szisztematikus bizonytalanságok mind a beeső, mind a szétszórt fénysugár csillapításával kapcsolatban fotonok a tárgyban, több szétszórt foton hozzájárulása a hasznos jelhez, valamint szórási térfogat, amelyből a hasznos jel származik. 1993-ban Balogun és munkatársai numerikus analízis alapú számítógépes algoritmus segítségével tanulmányozták a szórási térfogat szórási szöggel való variációját (BALOGUN & SPYROU, 1993). A szórt foton folyékonyságának vastagságfüggését egy epoxi-gyanta minta esetében 150-nél vizsgáltuk 60 keV fotonenergia felhasználásával 241am. A telítettségi vastagságra 5 cm értéket kaptunk.

röntgen számítógépes tomográfia (CT) az Embrapa mezőgazdasági Műszerközpont által 1984 óta alkalmazott közvetlen átviteli tomográfiai rendszerek egyik típusát ma már sokoldalú technikának ismerik el mind a talajtudomány, mind a különféle ipari ágazatok (PETROVIC et al., 1982; HAINSWORTH & AYLMORES, 1983; CRESTANA et al. 1985; CRUVINEL et al., 1987, 1990). Jelen tanulmányban, amelynek célja a közvetlen átviteli tomográfiás módszerekkel felmerült problémák leküzdése, beszámolunk egy dedikált Compton szórt tomográfiás szkenner eredményeiről, mezőgazdasági alkalmazásokhoz fejlesztették ki.

elméleti háttér

egy beeső gamma vagy röntgen kölcsönhatásba léphet az anyaggal, beleértve a különböző formájú talajokat is. A valószínű kölcsönhatási formák kölcsönösen vagy általában koherens szórás, inkoherens szórás, fotoelektromos hatás és páros termelés formájában fordulhatnak elő. Ban ben fotoelektromos kölcsönhatás, a bejövő foton energiáját egy orbitális elektron teljesen elnyeli, míg a foton részleges energiaveszteséget szenved, mivel inkoherens szóráson megy keresztül egy gyakorlatilag szabad elektronnal (BEISER, 1969). Az utóbbi esetben a célelektron és a szétszórt foton megosztja a foton energiáját. Páros termelés esetén egy beeső foton nukleáris mező jelenlétében elektron-pozitron párrá alakul. A koherens szórási útvonalon keresztüli kölcsönhatások nem járnak energiaveszteséggel a beeső foton által. Az anyaggal való kölcsönhatás számos formája függ a beeső fotonenergiától, de befolyásolják és modulálják a célelemek Z atomszámának megfelelően.

ha az interakciós módok különböző módjainak részleges kölcsönhatási valószínűségét ábrázoljuk a fotonenergiákkal szemben, akkor az egyes módok hatástartománya egyértelműen látható. Ez azt mutatja, hogy 30 keV fotonenergia alatt a fotoelektromos hatás domináns, koherens szórással, amely némi hozzájárulást mutat. E szint felett és 60 keV-ig a fotoelektromos hatás és a koherens és inkoherens szórás keveréke. A 60 keV-től néhány MeV-ig terjedő tartományban azonban az inkoherens szórás veszi át a talajban a gamma-kölcsönhatás domináns módját. A páros termelés 1,22 MeV-tól kezdődik, csak nagy energiánál, több MeV fotonenergiánál válik relevánssá.

így a kereskedelemben kapható radioizotópokból származó 60 keV és 1,33 MeV határértékek között a gamma-sugarak domináns kölcsönhatási módja a talajban az inkoherens vagy Compton-szórás. Mivel a szórás dominál, a szabad elektron Klein-Nishina differenciál keresztmetszetét egyedileg az energia és a szög kapcsolata adja meg, mint például:

ahol,

r0 – klasszikus elektronsugár számszerűen egyenlő 2,818 x 10-15 m;
q – a szétszórt foton szórási szöge, és
a – sebesség a beeső foton e energiája és az elektron nyugalmi tömegenergiája között, ami 511 keV.

az (1) egyenlet érvényessége akkor következik be, amikor a fotonenergia sokkal nagyobb, mint a célelektronok kötési energiája. Ezért azt mondhatjuk, hogy a szétszórt fotonok száma várhatóan arányos lesz az ilyen energiára a térfogatsűrűséggel vagy a víztartalommal. Reálisabb formában a beeső és a szétszórt fotonok sugarai gyengülést szenvednek, amikor a forrástól a mintán keresztül a szórási térfogatig, tehát a detektorig haladnak. Ennek figyelembevétele érdekében a (2) egyenletet írhatjuk az érzékelőn észlelt egyetlen szétszórt fotonok számára:

ahol

t-idő másodpercben egy számlálási időszak alatt;

I0 (E) – beeső fotonáram e energiával;

– Klein-Nishina differenciális keresztmetszet az e energiánál egy szabad elektron számára;

dW-A Klein-Nishina differenciális keresztmetszetéhez kapcsolódó differenciális szög;

r-térfogatsűrűség;

Z-atomszám;

NA-Avogadro száma;

n – a vizsgált anyag tömegszáma.

6 és 2 – lineáris csillapítási tényezők a mintában lévő primer és szórt fotonok csillapítására;

az e – detektor fénycsúcs – számlálási hatékonysága a szórt fotonenergiánál;

x1 és x2 – a mintában lévő fotonok útvonalának hossza a forrástól a szórási központig, illetve vissza a detektorig, és

dV-a mintában lévő fotonok útvonalának hossza a forrástól a szórási központig, illetve vissza a detektorig, és

a sugárzás és az anyaggal való kölcsönhatása szempontjából figyelembe vett térfogatkülönbség.

anyagok és módszerek

a tanulmányban használt talajt a Campinasi agronómiai Intézet részét képező Pindorama (SP, Brazília) kísérleti területén gyűjtötték össze egy 5000 m2-es kombinált Brazil Podzol (Paleuhumult) és vörös – sárga Brazil Latosol területén Motuca-SP, Brazília. A talaj térfogatsűrűségének kalibrálásához levegőn szárított és szitált talajmintákat helyeztek el számos 50 x 50 x 80 mm-es plexiüvegdobozban.

a talajvíztartalom mérésének kalibrálásához különböző nedvességtartalmú szitált talajmintákat is különféle 50 x 50 x 80 mm-es plexi dobozokba helyeztünk.

a kísérleti berendezés két sugárforrásból állt, az egyik a talaj térfogatsűrűségének mérésére szolgáló 137c, a másik pedig a víztartalom mérésére szolgáló 231Am volt, amelyek 662 keV, illetve 60 keV gammasugár energiát bocsátottak ki. Az alkalmazott számlálási geometriát úgy tervezték, hogy növelje a rendelkezésre álló beeső fluxust és csökkentse az adott számlálási pontossághoz szükséges kísérleti időt. A radioaktív források aktivitása a kísérlet során 600 mCi és 300 mCi volt.

az egyes energiákra alkalmazott számlálási idő 50 másodperc volt a vetület mintavételi pontonként, 2 mm térbeli felbontással, vetületenként összesen 30 mintavételi pont és összesen 10 cm függőleges elmozdulás.

a blokkdiagram 1. ábrája a Compton scattering tomography scanning rendszer felépítését mutatja, amely két radioaktív forrásból áll (az egyik 60 keV-vel, a másik 662 keV-vel működik), valamint szcintillátor detektorból (Nai(Tl)), mechanikus gyűrűs eszközön összeszerelve; két léptetőmotor került bemutatásra: az egyik a transzlációhoz, a másik a minta függőleges eltolásához.

a platform megvalósítását megkönnyítő és modulárisabbá váló módszer öt olyan mag kifejlesztése volt, amelyek lehetővé tették a rendszer végfelhasználója számára a leginkább intuitív architektúra formájának teljes használatát, és így átláthatóvá váltak a processzor architektúrájának végfelhasználója számára. Ezek közül a modulok közül hármat C-ben fejlesztettek ki és az architektúrában hajtottak végre. A háromdimenziós és kétdimenziós párhuzamos rekonstrukciós algoritmusok három modulját adaptív szűrő és 2D hullámok segítségével valósítottuk meg. Ezenkívül a Hamming, wavelets 1D, valamint a jel helyreállítása a kétdimenziós rekonstrukció moduljában valósult meg. A másik két modult Windows környezetben fejlesztették ki a Borland Builder C++ 5.0 verziójával. Ezek a modulok felelősek a rekonstrukciós modulokkal való kapcsolódásért, a rekonstrukciók bekövetkezésekor teljesen független interfésszé válnak. A grafikus felület lehetővé teszi a háromdimenziós és kétdimenziós párhuzamos algoritmusok segítségével rekonstruálható vetületekkel rendelkező adatfájlok kiválasztását. Ezekkel az alkalmazásokkal kétdimenziós vizualizációt lehet készíteni, amely lehetővé teszi az érdekes régió kiválasztását, a szürke szintű (vagy álszínek) hangok felhasználásával az elemzett mintában tapasztalt sűrűség vagy nedvesség ábrázolására. Emellett a szűrési paraméterek és az érdeklődésre számot tartó régiók is választhatók.

eredmények és megbeszélések

a 2.ábra bemutatja a Compton tomográfiai műszert mezőgazdasági alkalmazásra, amely két egycsatornás analizátor és két digitális számláló és időzítő alkalmazásán alapul.

a 3. ábra a minta szórási térfogatának szögfüggését és a számlálások számát mutatja az (1) egyenlet szerint.

a 4. ábra mind a tipikus Compton-spektrumokat mutatja talaj nélkül, mind talajjal 662 keV energiára, azaz a csatornánkénti számlálások számát tekintve, szemben a voltban kifejezett impulzusmagassággal. A Compton-szórás, más néven inkoherens szórás akkor fordul elő, amikor a beeső röntgensugaras foton egy elektront dob ki egy atomból, és egy alacsonyabb energiájú röntgensugaras foton szétszóródik az atomból. A relativisztikus energia és lendület ebben a folyamatban konzerválódik, és a szétszórt röntgen foton kevesebb energiával rendelkezik, ezért hosszabb hullámhosszú, mint a beeső foton. Ezután a 4. ábrán megfigyelhető, hogy a talaj nélkül, azaz egy üres tartályból kapott spektrumban nincs szórásfotó. A talajmintából nyert második spektrum azonban egy nagy szórási fotopeak előfordulását mutatja egy ilyen energiaszinten, amely kisebb, mint a forrásenergia. Amint az a (2) egyenletből várható volt, ez az eredmény a Klein-Nishina differenciál keresztmetszetének megnagyobbodásának függvénye az elemzés alatt álló talajminta szabad elektronjai számára.

az 5. ábra Compton képeket mutat 662 keV, illetve 60 keV reprezentatív Brazil talajmintával, plexi üvegdobozba csomagolva. A kép a minta hosszirányú keresztmetszetét képviseli, amelyet a letapogató rendszer adatgyűjtésének raszteres mozgása tesz lehetővé. Ezekben a képekben közvetlenül volex-by-volex variációt jelenítettünk meg a szétszórt fotonok számában pszeudo-színszintek szerint. A képek közelebbi tanulmányozása néhány olyan területet mutat, ahol a kép bal oldalán szétszórt fotonok alacsony értékűek. Ennek oka a szétszórt sugár egyenlőtlen csillapítása, amelyet a mintán belüli szétszórt sugár által megtett távolság modulál.

a 6., illetve a 7. ábra a Compton tomográfia és a transzmissziós tomográfia módszerével végzett talajsűrűség-mérések, valamint a Compton tomográfia segítségével végzett térfogati víztartalom-mérések eredményeinek összehasonlítását mutatja az idősáv-reflektrometria (TDR) módszerrel. Ezek az összehasonlítások a talaj térfogatsűrűségére 0,81, a térfogati víztartalom mérésére pedig 0,79 lineáris korrelációs együtthatót mutattak.

a jobb kvantitatív Compton scatter tomográfia érdekében ez a probléma további korrekciós tényezőket igényel. Ezek az eredmények azonban azt mutatják, hogy az ezzel a technikával kapott képek a talajtudományban összehasonlíthatók lehetnek az átviteli társával, megnyitva az utat a Compton backscatter foton detektálási technikán alapuló terepi mérőeszközhöz.

következtetések

a Compton talajtani tanulmányokra szánt tomográfiai szkennerét tervezték és építették az Embrapa mezőgazdasági Műszerközpontban (S. A. Carlos, Brazília). Ezt a 137Cs és 231Am sugárforráson alapuló berendezést használták a szétszórt fotonok számának a talaj sűrűségétől és nedvességétől való függésének tanulmányozására. Megfigyelték, hogy a kvantitatív méréseket torzítja a szórt sugárcsillapítás hatása. Az eredmények azt is mutatják, hogy milyen lehetőségek rejlenek e technika továbbfejlesztésének folytatásában, amelyet az in-situ talajvizsgálathoz kell alkalmazni, ezért különösen érdekesnek kell lennie a mezőgazdaság számára.

elismerés

a szerzők szeretnék kifejezni elismerésüket az Embrapa, a brazil Kutatási Tanács (CNPq) és a Harmadik Világ Tudományos Akadémiája (TWAS) felé.

BALOGUN, F. A.; SPYROU, N. M. Compton szórt tomográfia egy sűrű anyag könnyebb mátrixban történő vizsgálatában. Nukleáris eszközök és módszerek B 83, Amszterdam,p.533-8, 1993.

BEISER A. A modern fizika perspektívái. New York: McGraw-Hill, 1969.

CORMACK A. M. a sűrűségek rekonstrukciója előrejelzéseikből alkalmazásokkal. Radiológiai fizika, fizika, orvostudomány és biológia, V. 18, n.2, p. 195-207, 1973.

CRESTANA S.; MASCARENHAS S.; POZZI-MUCELLI R. S. a talajban lévő víz statikus és dinamikus háromdimenziós vizsgálata számítógépes tomográfiás letapogatással. Talajtudomány, Madison, v. 140, n.5, p.326-32, 1985.

CRUVINEL P. E.; CESAREO R.; CRESTANA, S.; MASCARENHAS S. X és Gamma sugarak számítógépes minitomográf szkenner talajtudomány. IEEE tranzakció műszerek és mérések, New York, v.39, n.5, p.745-50, 1990.

CRUVINEL P. E. X és Gamma ray számítógépes mini-szkenner multidiszciplináris használatra. 1987. 329 F. tézis (doktori) – Campinasi Egyetem, UNICAMP, Campinas, 1987.

GIGANTE, G. E.; HANSON, A. L. a Compton szórás energiaeloszlásának terjedéséhez való geometriai hozzájárulás értékelése. Fizikai szemle A, New York, V. 40, n.1, p.171-80, 1989.

HAINSWORTTH, J. M.; AYLMORE L. A. G. Számítógéppel segített tomográfia használata a talaj víztartalmának térbeli eloszlásának meghatározására. Osztrák Talajkutatási folyóirat, Collingwood, 21. V., p. 435-43, 1983.

HOUNSFIELD G. N. számítógépes keresztirányú axiális szkennelés (tomográfia): 1.rész. A rendszer leírása. Brit radiológiai folyóirat, 46. v., p.1016-22, 1973.

PETROVIC A. M.; SIEBERT J. E.; RIEKE P. E. a talaj térfogatsűrűségének elemzése három dimenzióban számítógépes tomográfiai szkenneléssel, talajvíztartalom. Osztrák Talajkutatási folyóirat, Collingwood, 21. V., p. 445-50, 1982.

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.